【正文】 其更適應(yīng)于穩(wěn)態(tài)控制，但瞬態(tài)響應(yīng)還不夠。以增壓壓力為控制目標(biāo)，可以較精確地控制發(fā)動機(jī)的增壓壓力，從而精確控制發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量和過量空氣系數(shù)。在工程實(shí)踐中，應(yīng)用最多的是通過試驗(yàn)獲得控制 MAP，利用增量式數(shù)字 PID( 比例、 積分、 微分) 系統(tǒng)進(jìn)行控制，這樣既能補(bǔ)償各種非線性因素，又能滿足控制實(shí)時性要求。渦輪、 發(fā)動機(jī)和壓氣機(jī)之間還存在復(fù)雜的相互作用。因此，可以通過調(diào)節(jié)可變噴嘴來控制發(fā)動機(jī)的空氣流量， 調(diào)節(jié)過量空氣系數(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)和增壓器在全工況下的優(yōu)化匹配。控制可調(diào)渦輪增壓器的根本目的是為了發(fā)動機(jī)提供滿足當(dāng)前工況所需要的進(jìn)氣量，使發(fā)動機(jī)在各種工況下保持合適的過量空氣系數(shù)。 可變噴嘴環(huán)和發(fā)動機(jī)匹配可變幾何幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)的控制也正是可變幾何渦輪增壓器區(qū)別于一般增壓器的原因。因此增壓比的上升是由膨脹比的上升轉(zhuǎn)換來的。并且盡量保持比較高的效率，這樣才能通過減小渦輪截面來提高加速響應(yīng)性。(3)要保證VGT渦輪有足夠的流量范圍。由于VGT具有流通截面可變的特點(diǎn)，對VGT渦輪的要求如一下:(1)VGT渦輪的效率特性曲線的高效率區(qū)要盡量平坦和寬廣，使渦輪改變截面后仍然具有較高的渦輪效率，也就是渦輪的效率不要下降太多。當(dāng)渦前溫度一定時，bT越高，則對應(yīng)于 的 值就越低，從而發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣壓差越高，有利于進(jìn)行TC?bT良好的掃氣，q mT表示流過渦輪的質(zhì)量流量(kg/s)，q ms表示流過壓氣機(jī)的質(zhì)量流量(kg/s).當(dāng)增壓器總效率 高時，如上述進(jìn)排氣壓差就大，其結(jié)果是增大了流經(jīng)C?發(fā)動機(jī)的空氣流量，提高了容積效率，由于泵吸正功加大，還可稍微提高發(fā)動機(jī)的功率和相應(yīng)改善油耗指標(biāo)。從增壓器的總效率公式可以推出: .()mTbCcq??????式中 TT和 T1分別是渦前溫度和壓前溫度， 是增壓器總效率，當(dāng) TT和 T1及渦輪和壓氣機(jī)的流量一定時，對應(yīng)于一個 。 發(fā)動機(jī)與增壓器的匹配要充分表明發(fā)動機(jī)與增壓器的匹配情況，需要在壓氣機(jī)特性與發(fā)動機(jī)耗氣特性的迭加圖上再標(biāo)出 t(渦輪前廢氣溫度)線，只有這樣才能確定具體匹配時所達(dá)到的值。(2)流量連續(xù)，當(dāng)管道無泄漏時通過渦輪的燃?xì)赓|(zhì)量流量應(yīng)等于壓氣機(jī)流量與燃料質(zhì)量流量之和。在轉(zhuǎn)速十分寬廣的轎車用發(fā)動機(jī)上往往這兩個要求不能同時兼顧，解決的一種辦法就是采用可變截面渦輪增壓器(VGT)。由于渦輪流通能力的大小對匹配性能很敏感，所以發(fā)動機(jī)與渦輪匹配的好壞主要看渦輪流通能力的選擇是否合適。因此渦輪較易滿足這一要求。由于徑流式渦輪本身具有較寬廣的高效率區(qū)，加上在發(fā)動機(jī)按外特性工作時 u/c。將發(fā)動機(jī)的耗氣特性線與壓氣機(jī)特性相疊合就可以確定兩者匹配的好壞。壓氣機(jī)的效率越高，在相同的增壓壓力下，增壓后的空氣溫度就越低，得到的增壓空氣的密度就越高，增壓效果就越好?？偟恼f來，發(fā)動機(jī)與增壓器的匹配有三個方面，即發(fā)動機(jī)與壓氣機(jī)的匹配、發(fā)動機(jī)與渦輪的匹配和壓氣機(jī)與渦輪的匹配。3 渦輪增壓器和發(fā)動機(jī)的匹配 常規(guī)渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配當(dāng)噴嘴環(huán)葉片處于某一個位置時，渦輪的流量特性和效率特性與常規(guī)渦輪增壓一樣。其中包括渦殼、導(dǎo)流葉片、葉輪、葉輪進(jìn)口的具體設(shè)計約束方程和原理。上式表明比轉(zhuǎn)速越大緣相對直徑越大,葉輪出口輪3?轂對輪緣的半徑比越小。上式表明比轉(zhuǎn)速越大，葉輪進(jìn)口相對高度越大。 比轉(zhuǎn)速在一定程度上還代表葉輪的“形狀因素”，通過比轉(zhuǎn)速數(shù)值的大小可以確定所設(shè)計的葉輪是采用軸流、混流還是徑流形式，因此如果設(shè)其中給定比轉(zhuǎn)速數(shù)值就能確定葉輪采用的形式。Rodgers提21/sUC1/。對比圖213可以看出這個值靠近最高效率區(qū)。取另外兩個參數(shù)m32/=?典型數(shù)值 ， 。比直徑定義式為 (235) 1/423ossdhQ??Balje建立的比轉(zhuǎn)速和比直徑關(guān)系式得到了廣泛應(yīng)用，圖213是根據(jù)這個關(guān)系式畫出的曲線圖。?osh?比轉(zhuǎn)速確定下來后，設(shè)計人員即可確定一個關(guān)鍵尺寸，根據(jù)這個尺寸可以得到其他尺寸。Balje(1981)認(rèn)為，在進(jìn)行渦輪比轉(zhuǎn)速計算時應(yīng)使用葉輪出口體積流量Q3，這一作法被很多研究人員采納。把比轉(zhuǎn)速概念應(yīng)用到可壓縮葉輪機(jī)械中會遇到一些問題。比轉(zhuǎn)速是理想單位功率、體積流量和旋轉(zhuǎn)速度的組合參數(shù)，這三個參數(shù)最有可能在設(shè)計開始時確定下來。從式(233)可以確定膨脹比 P 2/P0l, 再根據(jù)葉輪進(jìn)口馬赫數(shù)求得P 02/P2, 由式 即可020211/P?求得膨脹比P 02/P0l。依靠規(guī)定導(dǎo)葉效率，可以獲得導(dǎo)葉進(jìn)出口滯止膨脹比 。 對葉輪進(jìn)口和葉輪出口使用連續(xù)方程可以確定葉輪進(jìn)出口的面積比。70176。 可以用下式計算葉輪的半徑 (227)3ss1202orUa??對于最小的進(jìn)口馬赫數(shù)，這個比值為 (228)1/2332Wcssin()osr???在這種情況下，對于任意給定的進(jìn)口和出口相對流動角、半徑比是相對速度比 的線性函數(shù)，半徑比的大小取決于相對速度比的大小，同時還要考慮其3s2/W他對半徑比的限制和要求。半徑比 r 3h/r3s的確定原?則后面給出。葉輪進(jìn)口幾何尺寸和葉輪出口幾何尺寸必須在綜合考慮裝配要求、應(yīng)力分布水平的基礎(chǔ)上進(jìn)行。 葉輪進(jìn)口葉片高度也可由下式確定：圖 26 葉輪出口最小馬赫數(shù)最小入口馬赫數(shù)Ma功率比 Sw (226)22231()srbA???如果已葉輪面積比 A3/A半徑比r3/r出口輪轂與輪緣半徑比 其中?及葉輪半徑就可以使用式(126)計算獲得進(jìn)口葉片高度b 2。 初步設(shè)計中葉輪進(jìn)口還應(yīng)確定的另一個幾何參數(shù)是進(jìn)叮葉片高度與半徑比，Hiett和Johnstons(1963)，Watanable等(1971)認(rèn)為這個值應(yīng)取更大一些。絕大多數(shù)情況下。由式(215)和式(221)可得 (225)201)cos1wSUak???（ 實(shí)際上。如果上面三個參數(shù)中有一個參數(shù)未知，那么首先要給出，功率比，由功率比確定未知參數(shù)。也導(dǎo)致了非設(shè)計點(diǎn)工況下攻角損失增加。因?yàn)轳R赫數(shù)越大，所引起的靜子損失越大。圖 時最小進(jìn)口馬赫數(shù)隨功率20340?????、 、 比的變化曲線，可以看出來 取不同數(shù)值時對最小馬赫數(shù)的影響很小，相對應(yīng)的渦輪膨脹比可以在圖22中得到。有些情況下，最佳進(jìn)口相對氣流角 的確定過程也需要一個迭代過2程。之間。在各種文獻(xiàn)中認(rèn)最佳進(jìn)口相對氣流角 的范圍為 20176。進(jìn)口相對氣流角 對最終設(shè)計結(jié)2?果會產(chǎn)生很大影響。從式(220)可得 222cos(180)cos???由于有： 成立，最后可得到22coss1??? (222)22cs(cs)/1BZ??? 式（222)即為 Whifield(1990)建立的葉片數(shù)目和葉輪進(jìn)口絕對氣流角 a2之間的關(guān)系式。圖 24 葉輪槽道內(nèi)逆向渦根據(jù)速度三角形(圖25)可得 （216）222 2tantanmCCUc?? ???????式()兩端乘 /222/t0???22m/()sec(1tan)mc ?這樣可以得到 22tan1tanb??公式中 上式有關(guān)于 的一元二次方程，可以求得2/C,mcUb???? (217)??22t[4()/[(c1)]c??? 只有方程有正根時才有意義。在設(shè)2?計點(diǎn)工況下，認(rèn)為氣流沿軸向流出葉輪。 對于徑向葉輪，由于進(jìn)口葉片角為0176。當(dāng)逆向渦強(qiáng)度夠大時，壓力面上氣流將出現(xiàn)滯止而形成脫流，在大的負(fù)攻角情況下會出現(xiàn)這種情況。因此，當(dāng)正攻角增大到一定時，吸力面將產(chǎn)生分離。從圖24可知，葉輪進(jìn)口負(fù)攻角強(qiáng)化了逆向渦的影響，使壓力面上速度進(jìn)一步減小,葉片載荷增加。由于渦輪葉輪內(nèi)是加速流動，故逆向渦的影響較離心壓氣機(jī)葉輪中相對渦的影響要小。這與離心壓氣機(jī)中的相對渦概念十分相似，有時也稱相對渦。時在葉片壓力面上會出現(xiàn)很強(qiáng)的回流區(qū)。時進(jìn)口流場分布最均勻；攻角為0176。；而Rohlik(1975)給出的值高達(dá)40176。如Rodgers(1987)指出其值為 20176。到–30176。如果不是徑向葉片，那么由于葉輪高速旋轉(zhuǎn)會在進(jìn)口產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力，而渦輪進(jìn)口溫度都很高，則會根容易導(dǎo)致葉輪疲勞失效，因此一般情況下進(jìn)口葉片角 。同時還應(yīng)注意效率、膨脹比和功率比三個參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的。從式(113)可以看出，如果已知功率比，并給定一個效率值，則可初步獲得渦輪膨脹比。如果這三個參數(shù)有一個參數(shù)是未知的，就要選擇一個合適的功率比，從而求得未知參數(shù)。在進(jìn)行設(shè)計之前應(yīng)先規(guī)定一些設(shè)計點(diǎn)性能參數(shù)，如輸出功、質(zhì)量流量等參數(shù)，結(jié)果是葉輪進(jìn)、出目的主要幾何尺寸，如葉輪進(jìn)、出口高度及角度。由于氣流在膨脹過程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)折，此喉部氣流流動角和出口氣流角兩者之間存在一定差別。但對于徑流渦輪，氣流是由半徑較大方向流向半徑較小方向，流通面積是減小的，因此很難實(shí)現(xiàn)用收擴(kuò)性導(dǎo)流葉片達(dá)到加速氣流的目的。在初步設(shè)計階段，可以假設(shè)導(dǎo)流葉片內(nèi)是等嫡流動，因?yàn)閷?dǎo)流葉片內(nèi)部流動產(chǎn)生的損失只占總損失的很小一部分，Kofskey和wasserbauer (1966)研究認(rèn)為導(dǎo)流葉片內(nèi)流動損失只占總損失的5%，因此可以認(rèn)為導(dǎo)流葉片內(nèi)滯止壓力保持不變，或者通過規(guī)定導(dǎo)流葉片效率計算總壓損。在計算阻塞因子時應(yīng)考慮葉片厚度和附面層因素產(chǎn)生的影響，盡管由于氣流在槽道內(nèi)的加速使附面層增厚程度有限，喉部通流面積的計算公式為： (211)2222(1)cos(1)costhththABdbB???????在沒有產(chǎn)生堵塞流動導(dǎo)流葉片內(nèi)，喉都馬赫數(shù)等于導(dǎo)流葉片出口馬赫數(shù)Ma 2 ,這個馬赫數(shù)是葉輪進(jìn)口絕對馬赫數(shù)。經(jīng)過推導(dǎo)可得導(dǎo)流葉片喉部面積的計算公式為式為： （210 2()/1(kthth ththmRTkAMaPa????10）中下標(biāo)“th”代表喉部 如果導(dǎo)流葉片是收斂型，則喉部在葉片尾緣。變換公式為 00=x/rep(/)y??式中 r 0是基準(zhǔn)點(diǎn) 標(biāo)，可以把葉片尾緣作為基準(zhǔn)點(diǎn)；(x，y)是以直角坐標(biāo)表示的線性葉柵上的坐標(biāo)；（r，θ)是以極坐標(biāo)表 的環(huán)形葉柵上的坐標(biāo)。導(dǎo)流葉片應(yīng)起兩個主要作用，一是使氣流加速，二是使氣流改變方向，使氣流以合適的角度流入葉輪。如果不希望氣流在導(dǎo)流葉片中轉(zhuǎn)變方向，則葉片翼型不要彎曲。如果前面是渦殼，渦殼會使氣流產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)，會使氣流以合適的角度流進(jìn)葉輪。 導(dǎo)流葉片導(dǎo)流葉片的作用是使工質(zhì)一定角度流進(jìn)葉輪。如果渦輪葉片前有導(dǎo)流葉片，則導(dǎo)流葉片槽道中存在一個喉部，但氣流在導(dǎo)流葉片內(nèi)膨脹比過高時，將會在導(dǎo)流葉片喉部發(fā)生堵塞流動現(xiàn)。為達(dá)到給氣流加速的目的，一種較普遍的做法是在渦殼后面安裝導(dǎo)流葉片來使氣流速度提高。如果第一級渦輪采用徑向渦輪，這就意味著渦殼面積過大。對于半徑比比較小時，進(jìn)口馬赫數(shù)必須高一些，但是進(jìn)口速度的增加會導(dǎo)致摩擦損失增加。修正的連續(xù)方程為 (27)22A(1)mBC????與此同時，在自由渦方程中引人旋度系數(shù) S考慮壁面摩擦的影響 (28)12rcS??用總壓損失系數(shù)考慮總壓下降 (29)012PK?? 通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)， ，壓力損失系數(shù)取 。上述現(xiàn)象說明自由渦模型是和實(shí)際情有差別。由此可以推斷，如果葉輪相同，對于有導(dǎo)葉和無導(dǎo)葉兩種形式在葉輪進(jìn)口流動角相同情況下，它們的性能應(yīng)是相同的。這些渦殼可在不改變半徑值的情況下獲得。式(24)和式(26)給出了設(shè)計渦殼的兩個準(zhǔn)則：為了在渦殼圖 21 帶有無葉渦殼的徑流渦輪出口獲得均勻的流場，A/r應(yīng)隨 角增大線性減??；進(jìn)口A/r值決定渦殼出口流動角?大小。/Ar?假設(shè)流動速度在渦殼出口(即葉輪進(jìn)日)周向上分布是均勻的，出口流動角度為 (25)22tan/mc???對渦殼進(jìn)口和葉輪進(jìn)口兩個截面應(yīng)用自由渦方程和連續(xù)方程可得 21312//mCrr?2Acp??因此有 （26)21/tanr???渦殼出口尺寸A2和 r2是根據(jù)下游部件的尺寸確定的，即由噴嘴環(huán)或葉輪的尺寸確定。 ,是角度為 的渦殼橫截面半徑。根據(jù)自由渦假設(shè)，由圖21可以寫出 （22)rCK??帶有無葉渦殼的徑流渦輪對于不可壓流動，在角度為 的橫截面上質(zhì)量流量為?